双掺杂铌酸锂晶体集成WDM无源器件

1、双掺杂铌酸锂晶体集成WDM无源器件1. 项目研究意义随着移动通讯和互联网业务的迅猛发展，光纤通信的线路传输容量日益增长，这就要求WDM系统具有更宽的带宽、更高的比特率（40Gbit/s）和更小的信道间隔（从100到25GHz）。光学比较电子学具有高速，宽带等等的明显优点，用光子元件部分替代电子元件，从而保持信号的光学特性，对构建下一代全光网具有重要意义。但是光学技术的进一步应用取决于光学器件与系统的集成化技术的进展，全光化、集成化的多功能无源器件是一代全光通信网的发展方向和必然趋势。同时，随着材料科学和集成组装技术的日趋成熟，使发展微小集成结构的多功能光学元件成为可能。下一代全光通讯需要新型的

2、全光元件和装置，以实现对全部波分复用（WDM）信道进行同时和实时处理。基于光折变铌酸锂晶体的体全息术为实现这类全光装置提供了可靠的技术途径。铌酸锂晶体作为一种优良的光折变材料，允许在其中记录高衍射效率的局域体光栅。全息复用技术可实现在同一块铌酸锂晶体上记录若干局域体光栅，其实现方法包括角度多路曝光和使用多波长记录光等。体光栅具有高度布拉格波长和角度读出选择性，通过把每个全息复用的体光栅和特定的WDM信道读出波长相联系，为体光栅在光通讯领域的应用提供了可能性。铌酸锂晶体对光通讯近红外波段的光波不敏感，因而不能用近红外光来记录全息光栅。所谓的双波长法可以解决这个问题，即用晶体敏感的可见波段的光来记

3、录体光栅，用光通讯近红外波段的光来读出体光栅，这样读出光不会对记录的体光栅产生破坏，从而保持了体光栅的长期稳定性。要实现最佳的全息读出，记录光和读出光必须同时满足体光栅的布拉格条件。纯净的铌酸锂晶体由于缺陷很少，难以在其中记录高衍射效率的体光栅。过渡金属（Fe、Mn等）掺杂的铌酸锂晶体，尽管可以实现高衍射效率的全息记录，但存在挥发性和散射噪声放大的问题。采用记录过程中加热（热固定）或加电（电固定）的手段，克服了挥发性的问题，但由于操作复杂，且精度较低，限制了它们在实际中的应用。最近国际上报导的双中心全息记录方案，采用双色光在双掺杂铌酸锂晶体中记录了非挥发局域体光栅。这种全光学全息记录方案具有高

4、衍射效率、低散射噪声和实时处理等特点，为全光化、集成化器件设计提供了重要的可能性和技术手段，是目前最有应用前景的光折变体光栅固定方案，并已经成为国际研究热点1,2。铌酸锂晶体除了具有光折变效应外，还同时具有电光、压电、声光、热电、光弹和倍频等物理效应。这些物理效应意味着铌酸锂可以在单一介质中提供高效率的光、电、声能之间的相互作用，从而为在单块晶体上集成若干具有不同光学功能的光学元件提供了可靠的技术保障。铌酸锂晶体材料是现代电子、光学领域和信息产业赖以生存及发展的重要基础材料，是国家“863”计划的重要领域之一。随着现代电子和光学的发展，铌酸锂晶体在光通迅，集成光学等高新技术领域中扮演着越来越重

5、要的角色。铌酸锂晶体已经被证实适用于制作全光光纤通信中的微型开关、相位、振幅调制器、色散补偿器、偏振扰频器、可调谐滤波器以及交叉连接器等。铌酸锂材料不仅可以用来制作个别光纤通信器件，而且可以作为解决全光通信网络种种问题的技术平台。铌酸锂技术平台的真正优势在于它具有使网络高度集成化的能力，这一优点可以与具有高度集成的硅器件相媲美。展望二十一世纪光纤通信产业的发展，可以预计，以铌酸锂作为技术平台的光子学与光电子学产业，将会有迅速的发展。本项目的提出是围绕双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅在光通讯领域中的应用这一全新的科学问题，旨在研究提高固定体光栅衍射效率的新方法，探索在单块结构铌酸锂晶体中集成光无源器件

6、的新途经，给出基于双掺杂铌酸锂晶体的近红外体全息装置的原理性设计方案。该研究领域将光折变晶体材料科学，非线性光折变光学和光通讯等学科相结合，即涉及现代理论研究，同时又具有重大的创新价值和广泛的应用前景。浙江省“十五”基础性研究发展计划明确把“光机电一体化的基础性研究”列为优先发展的战略方向。本项目的研究工作属于这一研究领域，目标是为今后发展三维微小结构的光机电系统打下技术基础。本项目的研究工作有助于使本省在开发铌酸锂晶体作为光子"硅"的功能、研制多种功能的光子器件及微结构集成光子器件等方面形成独具特色的研究和开发基地，为我省信息技术的发展提供重要的技术支撑，必将大大推动我省

7、未来高新技术产业的发展。2. 项目研究目标及与申请者研究工作长期目标的关系项目研究目标：(1)通过对双掺杂铌酸锂晶体体全息记录性能的理论和实验方面的研究，获得非挥发局域体光栅达到最高固定衍射效率的最佳光栅周期和外加直流电场的判据，建立最佳化的全息记录条件。(2)应用动态耦合波理论，建立提高铌酸锂晶体体光栅布拉格选择性的有效全息记录方案。(3)利用掺杂铌酸锂晶体固有的各种优良特性，给出2到3种WDM光无源器件原型设计，制作出至少一种原理性演示器件，在光通讯光子器件设计方面做出有特色和创新性的成果。与研究工作长期目标的关系：光通讯光子器件的实用性要求是可集成化和可模块化包装。现有的技术方案（如堆栈

8、集成、平面光学集成和双折射分层集成等）均不能构成带有被动和主动器件的一体化结构。因此，研究工作的长期目标是发展一种新型的多功能的单块结构的三维光子系统的微结构集成技术，这不仅具有高度的学术意义，而且有广泛的应用前景。本项目研究工作在光折变三维集成方面展开初步的研究，为今后发展三维微小结构光机电系统打下了技术基础。3. 项目研究内容，研究方案和进度安排本项目主要研究双掺杂铌酸锂晶体（LN:Cu:Ce 或LN:Fe:Mn）红外体全息在光通讯无源器件设计方面的应用，其关键技术涉及体光栅的衍射特性分析和器件设计两个方面。项目研究内容： （1）双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅的衍射特性研究体光栅的衍射特性分析

9、是铌酸锂晶体红外全息在WDM光无源器件设计中的重要问题。双中心全息记录是一个复杂的动力学过程，光栅衍射特性受到各种晶体参量和外界条件的影响。从本质上讲，扩散、漂移和体光生伏特效应是三种主要的电荷迁移机制，电荷的迁移长度与光栅周期直接影响着光栅的衍射特性。在体光栅记录过程中给晶体外加直流电场，有可能提高记录光栅的衍射特性。体光栅的各种应用要求获得尽可能高的衍射效率。本项目拟通过研究电荷迁移长度、光栅周期和外加直流电场对光栅记录性能的影响，探索光固定体光栅达到最高衍射效率的途经。研究内容如下：l 研究双掺杂铌酸锂晶体非挥发全息记录的动力学过程，分析三种电荷迁移机制在双中心全息记录中的作用。l 研究

10、光栅周期对电荷载流子微观迁移机制的影响，分析非挥发全息记录性能对光栅周期的依赖关系。l 探索在非挥发局域全息记录和固定的不同阶段施加外电场提高衍射效率的可能性。l 实验研究光栅周期、外加直流电场对双掺杂铌酸锂晶体非挥发全息记录性能的影响，实现较高衍射效率的非挥发全息记录。（2）WDM光无源器件的设计利用双掺杂铌酸锂晶体红外体全息设计光通讯无源器件，开拓了掺杂铌酸锂晶体应用的新途径。体光栅的布拉格选择性是器件设计中的关键问题，直接决定了器件信道间隔和串绕水平等性能，利用这一特性有可能在晶体中构建波分解复用器。而各向异性铌酸锂晶体的固有的电光特性、双反射、双折射特性则影响了偏振光在晶体中的传播特性

11、，使得有可能在晶体中构建电光开关。把晶体的这些特性进行有机结合，有可能在单块晶体中集成不同功能的光学元件，实现WDM光无源器件的设计。主要研究内容如下：l 研究双掺杂铌酸锂晶体体光栅的布拉格选择特性，探讨获得最优选择性的体光栅的全息记录方案。l 研究偏振光在各向异性铌酸锂晶体中的传播特性，特别是晶体光轴取向、外加电场和晶体界面取向对光的传播特性的影响。l 提出新颖设计思想，在单块结构铌酸锂晶体上实现若干WDM无源器件的设计。研究方案：本项目的提出结合了晶体材料科学、光折变非线性光学和晶体物理等学科，所涉及的物理思想严谨，论证充分。掺杂等铌酸锂晶体具有许多良好的物理效应，同时又能够生长出高质量、

12、大尺寸的晶体，为光折变三维集成提供了可靠的技术保障。双中心全息记录法能够在双掺杂铌酸锂晶体中记录非挥发局域体光栅，具有高衍射效率、高布拉格选择性、低散射噪声和长期稳定性等优点，非常适合进行光折变三维集成。本项目的研究路线清晰、研究目标明确，在技术手段上是可行的。具体方案如下：（1）联立求解双中心物质波方程和耦合波方程，模拟体光栅记录的动力学过程。在数值求解的基础上，分析三种电荷迁移机制在非挥发全息记录中的作用以及光栅周期和外加电场对全息记录性能的影响。（2）采用传统的体全息记录装置，在双掺杂铌酸锂晶体中记录体光栅，研究光栅周期和外加电场对全息记录性能的影响，并与理论预言相比较。（3）利用耦合波

13、理论分析记录体光栅的布拉格选择特性。（4）利用晶体光学的理论分析偏振光在铌酸锂晶体中的传播特性。（5）结合光通讯的相关理论，给出在单块结构掺杂铌酸锂晶体上集成若干不同功能的光学器件的原理性设计方案。年度研究计划2005.1-2005.12 完成双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅的衍射特性研究，理论上得到光栅衍射效率对光栅周期和外加电场的依赖关系，并展开相关的实验验证。完成体光栅布拉格选择特性的研究，得到最佳体光栅布拉格选择特性的全息记录方案；完成偏振光在铌酸锂晶体中传播特性的研究。2006.1-2006.12展开WDM光无源器件的设计工作。完成2到3种原理性器件的设计方案；完成至少一种演示器件的制作。

14、撰写总结报告，上报相关材料。4. 项目创新之处国内外相关研究现状：目前国际上有两个主要的研究小组在掺杂铌酸锂晶体红外体全息在无源器件设计的应用方面处于前沿水平：意大利Poffi研究小组利用掺铁铌酸锂晶体热固定体全息光栅模拟演示了50GHz、4信道波分解复用器的设计，同时研究了铌酸锂晶体在红外全息存储方面的应用3；德国Buse等人基于掺铁铌酸锂晶体热固定体全息光栅，给出了40信道波分解复用器的设计，研究了相关的实验手段，制作了2信道波分解复用器的原理性演示装置4，5。国内的研究主要集中在铌酸锂晶体体全息光栅在记录性能的提高及其在全息存储方面的应用方面6。从国内外研究现状分析可见，目前对掺杂铌酸锂

15、晶体体光栅的应用研究主要集中在全息记录的物理机制的探讨和掺铁铌酸锂晶体集成单一功能器件（波分解复用器）的设计两大方面。基本思想是利用光折变效应在掺铁铌酸锂晶体中热固定角度复用若干体全息光栅，用WDM波长复用读出的方式实现波分解复用器的设计。当前的研究水平处于原理性器件的设计和实验验证方面，离实用化还有一段距离。本项目的创新之处有：（1）本项目涉及晶体物理、材料科学、光折变光学、光子学器件和光通讯等各门学科的结合，属于全新的科学问题。与国内外同类研究相比，本项目充分利用了铌酸锂晶体固有的各种优良特性，因而可在单块结构晶体上集成若干不同功能的光学元件。（2）本项目提出的基于双掺杂铌酸锂晶体红外体全

16、息的装置，采用双中心全息记录法这一先进的全光固定方案，克服了传统热固定和电固定的缺陷，可以实时、实地在铌酸锂晶体的任何部位进行全息记录，最终得到高衍射效率、长期稳定的体光栅。（3）本项目提出的基于双掺杂铌酸锂晶体红外体全息的装置，全息光栅是记录在晶体的不同位置处，红外读出采用垂直读出结构，读出光束在空间上彼此分离，更容易控制读出光束的传播状态，为设计具有综合功能的光子器件提供了可靠的技术保障。5. 工作基础与工作条件工作基础：（1）课题组前期在双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅衍射的理论和应用方面具有良好的研究基础。（2）课题组前期在光子器件设计方面积累了丰富的研究经验，完成了多项国家级和省、部级基金

17、项目，并取得了许多创新性新成果。工作条件：（1）具备完善的光学实验室，可以进行项目中的各项实验。（2）晶体材料的生长、加工、测试均有可靠的来源。 （3）研究队伍合理，副教授以上的研究人员为主力。6. 预期研究结果及其利用研究结果的计划和今后发展的思路本项目的预期研究结果是：（1）完成双掺杂铌酸锂晶体光固定体全息光栅的衍射特性研究，理论上得到光栅衍射效率对光栅周期和外加电场的依赖关系，建立最佳化的全息记录工作条件并展开相关的实验验证。（2）完成体光栅布拉格选择特性的研究，得到最佳体光栅布拉格选择特性的全息记录方案。（3）研制出2到3种紧凑化的WDM原理性器件。（4）制作至少一种WDM原理性器件，

18、能够演示其基本的工作过程。利用研究结果的计划：（1）综合考虑全息记录条件和晶体的各种参量，探讨双掺杂铌酸锂晶体体全息光栅衍射特性的全局优化问题。（2）对所设计的器件进行整体性能的评价。（3）探讨器件实用化的可能的技术途径。今后的发展思路：（1）各种掺杂的铌酸锂晶体全息衍射性能研究。（2）高效率光折变全息元件、衍射元件和其它形式的无源光学元件的研制。（3）有源光学元件的研究，其它多功能的一体化单块结构光学系统的探索。（4）单块结构光互连交换器件的研制。附参考文献：1.M.Lee, S.Takekawa, Y.Furukawa, K.Kitamura, “Quisinondestructive holographic recording in photochromic LiNbO3,” Phys. Rev. Lett., 84,875-878 (2000).2. K. Buse,A. Adibi, and D. Psaltis, “Novolatile holographic storage in doubly doped lithium niobate crystals,” Nature 393, 665-668 (1998). 3. P.Boff, M.Ubaldi, D.Piccini